DE1956503B2

DE1956503B2 - LIQUID-COOLED PISTON FOR COMBUSTION MACHINES

Info

Publication number: DE1956503B2
Application number: DE19691956503
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: N V Industrieele Handelscombmatie Holland, Rotterdam (Niederlande)
Priority date: 1968-11-05
Filing date: 1969-11-05
Publication date: 1973-02-15
Also published as: GB1255085A; DK126705B; FR2022607A1; NL6815749A; DE1956503A1; US3633468A; BE741029A

Description

Kolbens auftritt.Piston occurs.

Obwohl der Strömungsverlauf der KühlflüssigkeitAlthough the flow path of the coolant

35 bei dem eingangs geschilderten Kolben bereits ge-35 in the case of the piston described at the beginning

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten wisse Vorteile gegenüber anderen flüssigkeitsgekühl-Kolben für Brennkraftmaschinen, welcher unterhalb ten Kolben ennöglicht, tritt bei diesem bekannten der sich im wesentlichen kegelförmig nach unten er- Kolben eine nicht unerhebliche Überhitzung der steckenden Innenfläche des Kolbenbodens einen von Kühlflüssigkeit auf. Diese Überhitzung der Kühlflüsder Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlraum auf- 40 sigkeit hat zunächst die nachteilige Folge, daß der weist, in welchem sich ein topfförmiger Einsatz mit Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Koleiner ringförmigen Wand befindet, welche zwischen benmantels und der Innenfläche des Kolbenbodens sich und der Innenfläche des Kolbenmantels einen nicht genügend gekühlt wird. Der andere Nachteil Ringraum bildet und welche mit ihrer dem Boden besteht darin, daß durch die Überhitzung eine Qualides Einsatzes abgewendeten Oberkante nahe unter- 45 tätsverschlechterung der Kühlflüssigkeit vor allem halb des Kolbenbodens so endet, daß die Oberkante dann eintritt, wenn diese aus Motoröl besteht. Sobald der ringförmigen Wand mit dem oberen Bereich der nämlich Motoröl überhitzt wird, tritt je nach dem Innenfläche des Kolbenbodens einen Spalt bildet, Grad der Überhitzung zumindest eine Verschlechtewobei der Ringraum über die Pleuelstange des KoI- rung der Schmierfähigkeit und gegebenenfalls eine bens an die Kühlflüssigkeitszufuhr angeschlossen ist 50 Verkokung von ölpartikeln mit den hinreichend be- und wobei der Innenraum des Einsatzes eine Auslaß- kannten nachteiligen Folgen auf.
öffnung aufweist, welche, in Richtung auf den KoI- Bei dem eingangs geschilderten flüssigkeitsgebenboden vorspringend, oberhalb des Bodens des kühlten Kolben ist die Oberkante der ringförmigen Einsatzes angeordnet ist. Wand gegenüber dem gekrümmten Ubergangsbereich Die Innenkühlung des Übergangsbereiches vom 55 zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und der Kolbenmantel zum Kolbenboden bereitete bislang Innenfläche des Kolbenbodens um ein relativ großes große Schwierigkeiten. Dieser Übergangsbereich ist Maß radial zur Kolbenlängsachse hin nach innen sowohl thermisch als auch mechanisch besonders versetzt. Diese Anordnung hat zur Folge, daß der stark belastet. Der Übergangsbereich muß besonders größte Querschnitt des Strömungsweges der Kühlgut gekühlt werden, weil die sonst dort auftretenden 60 flüssigkeit an der Übergangsstelle zwischen der In-Materialspannungen in Verbindung mit den starken nenfläche des Kolbenmantels und der Innenfläche äußeren Kräften leicht zu einem Bruch des Kolbens des Kolbenbodens angeordnet ist. Mit der Querführen, schnittsvergrößeiung innerhalb des Strömungsweges Bei dem bekannten flüssigkeitsgekühlten Kolben ist eine Verlangsamung des Kühlflüssigkeitsstromes wird die Kühlflüssigkeit, bei der es sich meistenteils 65 an der Übergangsstelle, welche gleichzeitig die höchum Motoröl des Schmierkreislaufs handelt, während ste und damit heißeste Stelle der Innenfläche des der Auf- und Abbewegungen des Kolbens nahe den Kolbens bildet, verbunden. Durch die Verlangsa-Totpunkten verzögert bzw. beschleunigt. Nahe dem mung der Strömung wird zunächst die Wärmeüber-The invention relates to a liquid-cooled white advantages over other liquid-cooled pistons for internal combustion engines, which ennöglich beneath th piston, occurs in this known piston, which is essentially conical downwards, a not inconsiderable overheating of the stuck inner surface of the piston crown from cooling liquid. This overheating of the cooling fluid, the cooling fluid flowing through the cavity, initially has the disadvantageous consequence that it has a cup-shaped insert with a transition area between the inner surface of the piston, an annular wall between the inner surface of the piston and the inner surface of the piston head and the inner surface the piston skirt is not cooled sufficiently. The other disadvantage is that the annular space forms, and which with its bottom, is that due to the overheating of the upper edge, which is turned away from a Qualides mission, the cooling liquid ends, above all, halfway through the piston crown, so that the upper edge occurs when it consists of engine oil. As soon as the ring-shaped wall with the upper area of the engine oil is overheated, depending on the inner surface of the piston crown, a gap occurs, the degree of overheating at least one deterioration, whereby the ring space is connected to the coolant supply via the connecting rod of the KoI- tion of lubricity and possibly a bens is 50 coking of oil particles with the adequately loading and with the interior of the insert having an outlet known disadvantageous consequences.
Has opening which, projecting in the direction of the liquid dispensing base, above the base of the cooled piston, the upper edge of the annular insert is arranged. Wall opposite the curved transition area The internal cooling of the transition area from 55 between the inner surface of the piston skirt and the piston skirt to the piston crown has so far caused the inner surface of the piston crown to be relatively difficult. This transition area is particularly offset inward, both thermally and mechanically, radially to the longitudinal axis of the piston. This arrangement has the consequence that the heavily loaded. The transition area must be cooled, especially the largest cross-section of the flow path of the goods to be cooled, because the otherwise occurring liquid at the transition point between the in-material stresses in connection with the strong inner surface of the piston skirt and the inner surface of the external forces can easily cause the piston to break is. With the cross guiding, cutting enlargement within the flow path In the known liquid-cooled piston, the cooling liquid flow is slowed down, which is mostly 65 at the transition point, which is also the highest amount of engine oil in the lubrication circuit, while the hottest point on the inner surface of the the up and down movements of the piston near the piston forms, connected. Decelerated or accelerated by the Verlangsa dead centers. In the vicinity of the flow, the heat transfer is

trailing an dem kritischen Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und der Innenfläche des Kolbenbodens vermindert und somit die Kühlwirkung in nachteiliger Weise verschlechtert. Hinzu kommt, daß bei dem bekannten Kolben an diesem Übergangsbereich eine tote Zone mit einer besonders geringen Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet ist, in welcher die Kühlflüssigkeit unzulässig lange verweilt mit der nachteiligen Folge, daß dort eine übermäßig starke Überhitzung der Kühlflüssigkeit auftritt, was für Motoröl aus den vorgenannten Gründen sehr schädlich ist.trailing at the critical transition area between the inner surface of the piston skirt and the inner surface of the piston crown and thus reduced the cooling effect is disadvantageously deteriorated. In addition, with the known piston This transition area formed a dead zone with a particularly low flow velocity is, in which the cooling liquid lingers for an inadmissibly long time with the disadvantageous consequence that there excessive overheating of the coolant occurs, resulting in engine oil from the aforementioned Reasons is very harmful.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur Kühlung des Kolbens heranzuziehende Kühlflüssigkeit im Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und der Innenfläche des Kolbenbodens, an welchem die Gefahr e^;ner Überhitzung der Kühlflüssigkeit besonders groß ist, ständig in Bewegung zu halten und ständig zu erneuern, so daß die Kühlung an diesem heißesten Bereich der Kolbeninnenfläche verbessert und insbesondere eine Verschlechterung der Qualität der Kühlflüssigkeit für den Fall, daß hierzu das Motoröl zur Anwendung gelangt, weiteslgehend vermieden wird. Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß der Spalt an derjenigen Stelle gebildet wird, an welcher eine an den gekrümmten Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und r'er Innenfläche des Kolbenbodens angelegte Berührungsebene im wesentlichen senkrecht zur Kolbenlängsachse verläuft. Dadurch, daß die Oberkante der ringförmigen Wand und mithin der Spalt an der höchsten und heißesten Stelle des Übergangsbereiches zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und der Innenfläche des Kolbenbodens angeordnet ist, wird gerade an dieser thermisch und mechanisch besonders stark beanspruchten Stelle die höchste Geschwindigkeit des Kühlluftstromes und damit der intensivste Wärmetausch bzw. die beste Kühlung erzielt. Eine derartige Stelle des Übergangsbereiches, an welcher eine angelegte Berührungsebene im wesentlichen senkrecht zur Kolbenlängsachse verläuft, ist an sich ungünstig zu kühlen. Sich quer zur Kolbenlängsachse bz"-v. zur Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckende Stellen der Innenfläche des Kolbenbodens bereiteten bislang deshalb stets Schwierigkeiten bei der Kühlung, weil während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase im Bereich des oberen Kolben-Totpunktes der Kühlflüssigkeit an diesen Stellen keine — und zwar schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende — Bewegungskomponente aufgeprägt werden konnte. Eine Gefahr, daß die Kühlflüssigkeit, insbesondere Ölteilchen, an derartigen Stellen stagnieren und sich wegen ihrer allzu langen Verweilzeit unzulässig stark erhitzen, ist beim Kolben entsprechend der Erfindung ausgeschaltet. Beim Kolben entsprechend der Erfindung ist gerade die im Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenmantels und der Innenfläche des Kolbenbodens gebildete höchste Stelle, welche sich etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckt, infolge der besonderen Anordnung des Spaltes in den Bereich der höchsten Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeitsströmung hineinverlegt worden, so daß gewährleistet ist, daß dieser besonders beanspruchte Bereich der Innenfläche des Kolbens stets richtig gekühlt und die Kühlflüssigkeit ständig erneuert wird. Der Spalt ist hierbei derart bemessen, daß die Kühlflüssigkeit in Form einer Schicht entlang der Innenfläche des Kolbenbodens fließen kann.The invention is based on the object of providing the cooling liquid to be used for cooling the piston in the transition area between the inner surface of the piston skirt and the inner surface of the piston crown, where the risk e ^; ner overheating of the coolant is particularly large, to keep constantly moving and to constantly renew, so that the cooling in this hottest area of the piston inner surface improves and in particular a deterioration in the quality of the coolant in the event that the engine oil is used for this, largely is avoided. This object is achieved according to the invention in that the gap is formed at that point at which a contact plane applied to the curved transition area between the inner surface of the piston skirt and the inner surface of the piston crown runs essentially perpendicular to the longitudinal axis of the piston. The fact that the upper edge of the annular wall and therefore the gap is arranged at the highest and hottest point of the transition area between the inner surface of the piston skirt and the inner surface of the piston head means that the highest speed of the cooling air flow is precisely at this point, which is particularly thermally and mechanically stressed so that the most intensive heat exchange or the best cooling is achieved. Such a point in the transition area, at which an applied contact plane runs essentially perpendicular to the piston longitudinal axis, is in itself to be cooled unfavorably. Locations on the inner surface of the piston crown which extend transversely to the longitudinal axis of the piston and to the direction of movement of the piston have always caused difficulties in cooling, because during the acceleration and deceleration phase in the area of the top dead center of the piston the coolant does not have any - and A risk of the cooling liquid, especially oil particles, stagnating at such points and heating up excessively because of their excessively long dwell time, is eliminated in the piston according to the invention Invention is precisely the highest point formed in the transition area between the inner surface of the piston skirt and the inner surface of the piston head, which extends approximately perpendicular to the direction of movement of the piston, due to the special arrangement of the gap in the area of the highest Gesc The speed of the cooling liquid flow has been moved in, so that it is ensured that this particularly stressed area of the inner surface of the piston is always properly cooled and the cooling liquid is constantly renewed. The gap is dimensioned in such a way that the cooling liquid can flow in the form of a layer along the inner surface of the piston crown.

Die vom Ringraum her durch den Spalt einttetende schichtförmgie Strömung ist hierbei in der Lage, die gegen die Innenfläche des Kolbenbodens emporgeschleuderte und in entgegengesetzter Richtung strömende Kühlflüssigkeit von der Innenfläche abzustreifen, ohne daß beide Strömungen in Still-The layered flow flowing through the gap from the annular space is here in the Location that flung up against the inner surface of the piston crown and in the opposite direction wiping off the flowing coolant from the inner surface, without both currents

ao stand geraten.ao was advised.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand eines zum Teil vereinfachten Längsschnittes gezeigt.In the drawing, an embodiment of the invention is based on a partially simplified Longitudinal section shown.

Die Zeichnung zeigt einen Kolben 1 mit einem Kolbenboden 2, einem Kolbenmantel 3 und einer unteren Wandung 4 mit einer Kolbenstange 5. Die Kolbenstange S ist über einem Kreuzkopf 6 mit einer Pleuelstange 7 verbunden, die um einen Drehzapfen 8 drehbar ist. Kreuzkopf 6, Pleuelstange 7 undThe drawing shows a piston 1 with a piston head 2, a piston skirt 3 and a lower one Wall 4 with a piston rod 5. The piston rod S is above a cross head 6 with a Connecting rod 7 connected, which is rotatable about a pivot pin 8. Crosshead 6, connecting rod 7 and

so Drehzapfen 8 sind nicht in ihren Einzelheiten dargestellt, weil dies zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist. Zwischen dem Kolbenboden 2, der Wandung 4 und dem Kolbenmantel 3 ist im Kolben 1 ein topfförmiger Einsatz 9 vorgesehen. Dieser Ein-so pivot pins 8 are not shown in detail, because this is not necessary to understand the invention. Between the piston crown 2, the Wall 4 and the piston skirt 3, a cup-shaped insert 9 is provided in the piston 1. This one

a5 satz 9 weist einen zentral angeordneten verdickten Teil 10 auf, der mit einer Bohrung versehen ist, welche mit einem Auslaßkanal 11 in der Kolbenstange 5 in Verbindung steht. In der Kolbenstange 5 ist konzentrisch um den Auslaßkanal 11 ein Einlaßkanal 12 vorgesehen, der in einen zwischen dem unteren Teil des Einsatzes 9 und der Wandung 4 gebildeten Hohlraum 13 mündet. Der Einsatz 9 weist ferner eine ringförmige Wand 14 auf, die zusammen mit dem Kolbenmantel 3 einen Ringraum 15 bildet, der unmittelbar unterhalb der Innenfläche des Kolbenbodens 2 endet, so daß an dieser Stelle ein ringförmiger Spalt 16 vorhanden ist. Der topfförmige Einsatz 9 ist mit Kanälen 17 versehen, die den Ringraum 15 mit dem Hohlraum 13 verbinden.a5 set 9 has a centrally located thickened Part 10, which is provided with a bore, which with an outlet channel 11 in the piston rod 5 communicates. In the piston rod 5 there is an inlet channel concentrically around the outlet channel 11 12 is provided, which is formed in a between the lower part of the insert 9 and the wall 4 Cavity 13 opens. The insert 9 also has an annular wall 14, which together with the piston skirt 3 forms an annular space 15 which is immediately below the inner surface of the piston head 2 ends so that an annular gap 16 is present at this point. The cup-shaped insert 9 is provided with channels 17 which connect the annular space 15 to the cavity 13.

Von der ringförmigen Wand 14 wird ein Innenraum 18 des topfförmigen Einsatzes 9 umschlossen, in welchem sich in etwa der tiefsten Kolbenhubstellung unterhalb und um die Auslaßöffnung des in dem verdickten Teil 10 beginnenden Auslaßkanals; 11 eine bestimmte Kühlflüssigkeitsmenge, im vorliegenden Falle öl, ansammelt.An interior space 18 of the cup-shaped insert 9 is enclosed by the annular wall 14, in which approximately the lowest piston stroke position is below and around the outlet opening of the in the outlet passage beginning the thickened part 10; 11 a certain amount of coolant, in the present case Trap oil, accumulates.

Während der hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens 1 erzeugt die sich während der höchsten Stellung des Aufwärtshubes in der Pleuelstange 7 und der Kolbenstange 5 befindliche, über den Drehzapfen 8 vom Schmiersystem eingespeiste Kühlflüssigkeitssäule einen äußerst kräftigen Flüssigkeitsstrom, de über den Hohlraum 13, die Kanäle 17, den Ringraum 15 und den ringförmigen Spalt 16 in den Innenraum 18 des topfförmigen Einsatzes 9 führt.During the reciprocating movements of the piston 1 generated during the highest Position of the upstroke located in the connecting rod 7 and the piston rod 5, via the pivot pin 8 coolant column fed in by the lubrication system creates an extremely powerful liquid flow, de over the cavity 13, the channels 17, the annular space 15 and the annular gap 16 in the interior 18 of the cup-shaped insert 9 leads.

Infolge des gekrümmten Übergangs von der Innenfläche des Kolbenmantels 3 zur Innenfläche des Kolbenbodens 2 sowie einer geeigneten Bemessung des Spaltes 16 gelangt der Flüssigkeitsstrom in Form einer Schicht durch den Spalt 16, fließt auf seinem Weg nach innen an der Innenfläche des Kolbenbodens 2 entlang, nimmt auf seinem Weg Wärme auf und vermischt sich mit der im unteren Teil des Innenraums 18 aufgewirbelten Flüssigkeitsmenge. Der Flüssigkeitsüberschuß fließt — im Falle von Motoröl — über den Auslaßkanal 11 zur ölwanne ab. Im Auslaßkanal 11 bildet sich keine Flüssigkeitssäule,As a result of the curved transition from the inner surface of the piston skirt 3 to the inner surface of the piston head 2 and a suitable dimensioning of the gap 16, the liquid flow passes through the gap 16 in the form of a layer and flows on its The way inward along the inner surface of the piston crown 2 absorbs heat on its way and mixes with the amount of liquid swirled up in the lower part of the interior space 18. Of the Excess liquid flows - in the case of engine oil - via the outlet channel 11 to the oil pan. in the Outlet channel 11 does not form a column of liquid,

die eine ungünstige Wirkung haben könnte, weil dessen Auslaßquerschnitt im Verhältnis zu der abzuführenden Kühlflüssigkeitsmenge genügend groß ist. Der Spalt 16, durch den der Kühlflüssigkeitsstrom eintritt und von welchem aus der Kühlflüssigkeitsstrom an der Innenfläche des Kolbenbodens 2 entlangfließt, ist an der höchsten Stelle der Innenfläche des Kolbenbodens angeordnet. Der Spalt 16 braucht nicht ringförmig ausgebildet zu sein. Die Kühlflüssigkeit kann auch über eine Anzahl von Leitungen herangeführt werden, deren Auslaßöffnungen so dicht unterhalb des Kolbenbodens 2 enden, daß an jeder Leitung ein Schlitz entsteht. Es versteht sich von selbst, daß an Stelle von Motoröl auch eine andere Kühlflüssigkeit verwendet werden kann. In diesem Falle wird die Kühlflüssigkeit auf einem anderen Weg, beispielsweise über einen gesonderten Kühlkreislauf, herangeführt. which could have an unfavorable effect because its outlet cross-section in relation to that to be discharged The amount of coolant is sufficient. The gap 16 through which the flow of cooling liquid enters and from which the flow of cooling liquid flows along the inner surface of the piston crown 2 arranged at the highest point of the inner surface of the piston crown. The gap 16 does not need to be annular to be trained. The cooling liquid can also be brought in via a number of lines are, the outlet openings end so closely below the piston head 2 that a Slit is created. It goes without saying that instead of engine oil, another coolant can also be used can be used. In this case, the cooling liquid is in a different way, for example via a separate cooling circuit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

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top dead center this means that the over the

Claim: connecting rod and possibly also via the piston rod supplied coolant in the ring

Liquid-cooled piston for combustion chamber is pressed, at the transition area between machines, which flows underneath the piston skirt and piston crown and lent a cone-shaped downward extending through the between the piston crown and the inner surface of the piston crown one of the cooling pot-shaped Insert formed gap has through the cavity through which the liquid flows, along the piston head into the cup-shaped insert into which a cup-shaped insert flows into. Which is located inside the cup-shaped single ring-shaped wall, which between io rate ansatamelade cooling liquid is regularly discharged from itself and the inner surface of the piston liner via the outlet opening. Simultaneously with forms an annular space and which, with its upper edge facing away from the cooling liquid supply from the annular space bottom of the insert, injects the existing in the cup-shaped insert close below the piston crown so that the cooling fluid hits the inner surface of the piston crown, the upper edge of the annular wall with the 15 dens and flows along this inner surface in the direction of the upper region of the inner surface of the piston bore onto the gap, in order then to form a gap again, the annular space falling over. This creates an intimate mixing, the connecting rod of the piston is connected to the cooling liquid and the cooling liquid supply supplied from the annular space, and the inflow with the cooling liquid hurled up from the bottom of the insert through an outlet opening, with the consequence of a pointing which , in the direction of the piston crown intensive heat exchange.

protruding above the bottom of the insert So that the aforementioned coolant flow

is arranged, can thereby form marking, the must over the annular space

net that the gap (16) at that point supplied cooling liquid overcomes the counter pressure

is formed, at which one on the curved 25 den, which against the lower part of the inner surface

Transition area between the inner surface of the piston head and which is directed through

Piston skirt (3) and the inner surface of the col- or accumulated in the highest piston position

benbodens (2) created contact plane in the we- coolant is generated. This back pressure is

substantially perpendicular to the piston longitudinal axis, but small compared to the pressure, which

runs. 30 as a result of the inertia forces from the column of liquid

is generated in the supply line and which after the upstroke in the top dead center position of the